示波器的帶寬與採樣率是什麼關係

帶寬的定義

  帶寬應用的領域非常多,可以用來標識信號傳輸的數據傳輸能力、標識單位時間內通過鏈路的數據量、標識顯示器的顯示能力。

  1.在模擬信號系統又叫頻寬,是指在固定的時間可傳輸的資料數量,亦即在傳輸管道中可以傳遞數據的能力。通常以每秒傳送週期或赫茲(Hz)來表示。

  2.在數字設備中,帶寬指單位時間能通過鏈路的數據量。通常以bps來表示,即每秒可傳輸之位數。

示波器的帶寬與採樣率是什麼關係


  示波器帶寬

  示波器帶寬是指輸入一個幅度相同,頻率變化的信號,當示波器讀數比真值衰減3dB時,此時的頻率即為示波器的帶寬。也就是說,輸入信號在示波器帶寬處測試值為真值-3dB,帶寬不是示波器能顯示的最高頻率。一般情況下,示波器帶寬應為所測信號最高頻率的3~5倍。

  對於經常跟示波器打交道的電子工程師來說,示波器的帶寬無疑是他們最關心的指標之一。帶寬直接影響信號的保真度和測量的準確度。我們通常所說的帶寬是指-3dB帶寬,如圖 1所示。在200M帶寬的示波器上輸入200M的正弦波,理論上其幅度會下降3dB。然而,你若對此時測量到的信號幅度除以0.707,想以此獲得真實的信號的幅度,得到的結果卻未必正確。因為實際上,示波器在設計時,為了保證帶寬參數和減小信號失真,在帶內的信號衰減幅度通常會小於3dB。所以,200M帶寬是一個設計指標,保證對200M以內的正弦波幅度的衰減不超過3 dB,以提供較好的測量置信度。

示波器的帶寬與採樣率是什麼關係

  採樣率簡介

  採樣頻率,也稱為採樣速度或者採樣率,定義了每秒從連續信號中提取並組成離散信號的採樣個數,它用赫茲(Hz)來表示。採樣頻率的倒數是採樣週期或者叫作採樣時間,它是採樣之間的時間間隔。通俗的講採樣頻率是指計算機每秒鐘採集多少個信號樣本。

  採樣定理

  所謂採樣定理,又稱香農採樣定理,奈奎斯特採樣定理,是信息論,特別是通訊與信號處理學科中的一個重要基本結論。

  採樣是將一個信號(即時間或空間上的連續函數)轉換成一個數值序列(即時間或空間上的離散函數)。採樣定理指出,如果信號是帶限的,並且採樣頻率高於信號帶寬的兩倍,那麼,原來的連續信號可以從採樣樣本中完全重建出來。

  帶限信號變換的快慢受到它的最高頻率分量的限制,也就是說它的離散時刻採樣表現信號細節的能力是有限的。

示波器的帶寬與採樣率是什麼關係

  採樣定理是指,如果信號帶寬不到採樣頻率的一半(即奈奎斯特頻率),那麼此時這些離散的採樣點能夠完全表示原信號。高於或處於奈奎斯特頻率的頻率分量會導致混疊現象。大多數應用都要求避免混疊,混疊問題的嚴重程度與這些混疊頻率分量的相對強度有關。

  採樣頻率必須大於被採樣信號帶寬的兩倍,另外一種等同的說法是奈奎斯特定律必須大於被採樣信號的帶寬。如果信號的帶寬是100Hz,那麼為了避免混疊現象採樣頻率必須大於200Hz。換句話說就是採樣頻率必須至少是信號中最大頻率分量頻率的兩倍,否則就不能從信號採樣中恢復原始信號。

  在模擬視頻系統中,採樣率定義為幀頻和場頻,而不是概念上的像素時鐘。圖像採樣頻率是傳感器積分週期的循環速度。由於積分週期遠遠小於重複所需時間,採樣頻率可能與採樣時間的倒數不同。

  50Hz-PAL視頻

  60/1.001Hz-NTSC視頻

  當模擬視頻轉換為數字視頻的時候,出現另外一種不同的採樣過程,這次是使用像素頻率。一些常見的像素採樣率有:

  13.5MHz-CCIR601、D1video

  高頻luminance成分的混淆現象作為摩爾紋出現。

示波器的帶寬與採樣率是什麼關係

  示波器的帶寬與採樣率是什麼關係

  帶寬是反映信號頻率通過能力,帶寬越大,對信號中的各種頻率成分(特別是高頻成分)能準確有效地放大與顯示,也就較為準確,如果帶寬不夠,那就會損失很多高頻成分,信號自然就顯示不準確了,出現較大誤差。而採樣率是將模擬量轉換為數字量時對信號轉換的頻率(即每秒採集次數),這個頻率越高,單位時間內對信號的採集就越多,信號中的信息就保留越多,丟失信息就少,轉換出的數字量就能準確反映信號的數值,再由LCD顯示就能較為準確完整顯示信號波形,採樣點越多,顯示的點就越多,就越清晰。

示波器的帶寬與採樣率是什麼關係

  對數字式示波器至少有兩部分:被測信號的Y通道和採樣部分。Y通道是放大(或衰減)被測信號的,帶寬是針對Y通道而言。假如Y通道能對0~10MHz範圍所有正弦信號均勻而不失真的放大,則它的帶寬就是10MHz。由於複雜波形的信號由各種不同諧波的正弦信號組成,而且這些諧波構成的帶寬可能很寬,所以,為了保證真實放大複雜信號,你的Y通道的帶寬越大越好。

  僅有帶寬足夠的Y通道還不夠,為了捕獲波形,你還得對經過Y通道放大的信號進行採樣啊!這個採樣的快慢就是採樣速率。採樣速率越快,單位時間內對複雜波形捕獲的點也就越多,最後拼裝顯示出來的波形就越接近真實的複雜信號。

  所以,帶寬和採樣速率雖然是兩個不同的參數,但它們都對真實還原被測波形都非常重要。


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